DE19738818A1 - Pattern-controlled precision-machining system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur formgeregelten Feinstbearbeitung des Maßes, der Form und Oberfläche von Werkstücken. Insbesondere betrifft sie solche Verfahren, die über einen elektronischen Regelmechanismus eine Anpreßkraft und/oder eine Wegzustellung von spanabhebenden, auf einem Werkzeugträger angebrachten, Bearbeitungselementen regeln. Die Veränderung der Anpreßkraft bzw. der Wegzustellung erfolgt dabei vorzugsweise durch einen Piezoaktor, ist aber nicht auf diesen beschränkt. Es kommen auch hydraulische, pneumatische und elektromechanische Antriebe in Betracht.The invention relates to a method for shape-controlled fine machining of the dimension Shape and surface of workpieces. In particular, it relates to those procedures which are about an electronic control mechanism a contact pressure and / or a displacement of regulate cutting elements on a tool holder. The change in the contact pressure or displacement is preferably carried out by a piezo actuator, but is not limited to this. Hydraulic, pneumatic and electromechanical drives into consideration.
Feinstbearbeitungsverfahren dienen zur Regelung der Bearbeitung von Maschinenteilen, die in engen Toleranzbereichen gefertigt werden müssen. Dies gilt insbesondere für die Bereiche des Werkstückes, die in in Kontakt mit Gleitlagern stehen oder Passungen entsprechen müssen.Precision machining processes are used to regulate the machining of machine parts must be manufactured in narrow tolerance ranges. This applies in particular to the areas of the workpiece, which are in contact with plain bearings or correspond to fits have to.
Eine Möglichkeit der Herstellung hoher Maß-, Form- und Lagetoleranzen ist die manuelle Bearbeitung der Werkstücke. Hierbei wird das Werkstück vermessen und anschließend eine Bearbeitung durchgeführt. Dieser Vorgang wird wiederholt bis der angestrebte Bereich von Maß-, Form- und Lagetoleranz erreicht ist. Dieses Verfahren ist mit einem hohem Zeitaufwand und Kosten verbunden, da in den Zeiträumen der Maßfeststellung das Werkstück nicht bearbeitet wird. Zudem ist die erzielte Maß- und Formgenauigkeit von der Person des Bearbeitenden abhängig und somit nicht sicher reproduzierbar.One way of producing high dimensional, shape and position tolerances is manual Machining the workpieces. Here, the workpiece is measured and then one Editing done. This process is repeated until the desired range of Dimensional, shape and position tolerance is reached. This procedure has a high Time and costs involved, since the workpiece is in the periods of dimension determination is not processed. In addition, the dimensional and shape accuracy achieved by the person of the Editing dependent and therefore not reliably reproducible.
Eine weitere Methode ist die maschinelle Bearbeitung. Hierbei ist bei großen Werkstücken, die Einhaltung enger Toleranzbereiche problematisch. Eine wesentliche Ursache dieses Pro blems sind die Toleranzen in den Lagerungen von Feinstbearbeitungsmaschinen. Deren Lagertoleranzen sind im allgemeinen umso größer, je größer die maximal zu bearbeitenden Werkstücke sind. Die Ungenauigkeiten der Lager in Form von Rundheits-, Rundlauf-, Form-, Lagerfehlern und Nachgiebigkeiten dieser Werkzeugmaschinen bilden sich auf dem zu bearbeitendem Werkstück als Maß-, Form-, Lage- und Oberflächenfehler ab. Das kann dazu führen, daß die erforderliche Güte der Werkstückbearbeitung durch aufwendige Nachbearbeitung hergestellt werden muß.Another method is machining. For large workpieces, compliance with narrow tolerance ranges is problematic. A major cause of this pro The tolerances in the bearings of precision machining machines are stupid. Their Storage tolerances are generally greater, the larger the maximum to be processed Workpieces are. The inaccuracies of the bearings in the form of roundness, concentricity, form, Bearing errors and compliance of these machine tools form on the machining workpiece as dimensional, shape, position and surface defects. That can do that lead that the required quality of the workpiece processing through complex Post-processing must be made.
Eine weitere Möglichkeit ist die Abbildung von Modellen durch das Werkstück. Hierbei wird ein Modell der angestrebten Form angefertigt. Dieses Modell wird direkt, indem es z. B. mit einem Schleifmittel verbunden wird oder indirekt über eine Kopiervorrichtung auf dem Werkstück abgebildet. Die Genauigkeit der bearbeiteten Fläche hängt von der Güte des Modells ab. Des weiteren wird für jede Variation der Form eine gesonderte Musterform benötigt. Verschleißt das Bearbeitungselement über eine gegebene Grenze hinaus, muß der Bearbeitungsprozeß unterbrochen werden um z. B. ein neues Schleifband auf einer Formbacke anzubringen. Die Bearbeitung kann also nicht in einem kontinuierlichem Prozeß erfolgen. Des weiteren bedingt die, für diese Art der Bearbeitung charakteristische, flächenmäßige Kontaktfläche die Bearbeitung von Werkstücksegmenten, die nach Form und Oberfläche bereits den angestrebten Toleranzbereichen entsprechen.Another possibility is the mapping of models through the workpiece. Here will made a model of the desired shape. This model is made directly by e.g. B. with an abrasive is connected or indirectly via a copier on the Workpiece shown. The accuracy of the machined area depends on the quality of the Model. Furthermore, there is a separate pattern shape for each variation of the shape needed. If the processing element wears out beyond a given limit, the Machining process are interrupted to z. B. a new sanding belt on a To attach the mold jaw. So processing cannot be in a continuous process respectively. Furthermore, the characteristic of this type of processing surface contact area the processing of workpiece segments, according to shape and Surface already correspond to the desired tolerance ranges.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Auswirkungen der Lagerungenauigkeiten und sonstiger Maschineneinflüsse auf die angestrebte Form und Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes zu minimieren und reproduzierbare Bearbeitungsprozesse zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 erfüllt.The object of the present invention is the effects of bearing inaccuracies and other machine influences on the desired shape and surface quality minimize the workpiece and ensure reproducible machining processes. This object is achieved by the features of claim 1.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, zur formgeregelten Feinstbearbeitung der gesamten oder von Teilen der radial oder axial orientierten Oberfläche von Werkstücken. Kern der Erfindung ist ein Regelmechanismus, der in Abhängigkeit der Maß- und Formabweichung die Andruckkraft bzw. die Wegzustellung des Bearbeitungselements zum Werkstück regelt und somit den Abtrag am Werkstück bestimmt.The invention relates to a method for shape-controlled fine machining of the whole or of parts of the radially or axially oriented surface of workpieces. Essence of the invention is a control mechanism that, depending on the dimensional and shape deviation The contact pressure and the path of the machining element to the workpiece are regulated and thus the removal on the workpiece is determined.
Das Verfahren, bzw. in ihrer Funktion auf dem Verfahren basierende Vorrichtungen, sollen dabei ebenso bei der Nachrüstung bereits existierender Maschinen, als auch als Kernelement eigenständiger Werkzeugmaschinen eingesetzt werden können. Die Bearbeitung des Werkstückes soll dabei exakt an den Stellen erfolgen, die noch nicht den Erfordernissen nach Maß- und Formhaltigkeit genügen. Dabei soll ein geschlossener Kraftfluß (Bearbeitungselement-Werkstück-Gegenlager-Halterung-Werkzeugträger- Bearbeitungselement) durch das Kontaktelement aufgebrachte Bearbeitungskräfte aufnehmen und so eine elastische Deformation des Werkstückes verhindern. Der kontinuierliche Bearbeitungsprozeß soll exakt zu dem Zeitpunkt abgebrochen werden, an dem die geforderte Werkstückqualität nach Form, Maß und Oberfläche erreicht ist. Der Bearbeitungsprozeß soll in seinem Verlauf und Ergebnis automatisch dokumentierbar sein, so daß kein zusätzlicher Nachweis der Bearbeitungsqualität auf externen Prüfeinrichtungen erforderlich ist. Ferner soll der Bearbeitungsvorgang auf der Grundlage eines Prozeßmodells geregelt werden. Über das Prozeßmodell werden die Vorgabewerte für das Regelsystem, unter Berücksichtigung der für die Bearbeitung entscheidenden Parameter wie z. B. Werkstoff, Werkstoffhärte, Formabweichung, Andruck und Abtrag, ermittelt.The method, or devices based on the method in their function, should thereby also when retrofitting existing machines, as well as as a core element independent machine tools can be used. Editing the Workpiece should take place exactly at the points that do not yet meet the requirements Dimensional and dimensional stability are sufficient. In doing so, a closed flow of power should be used (Machining element-workpiece-counter bearing-holder-tool holder- Machining element) absorb machining forces applied by the contact element and thus prevent elastic deformation of the workpiece. The continuous Processing process should be terminated exactly at the point in time at which the required Workpiece quality according to shape, size and surface is achieved. The machining process is supposed to its course and result can be documented automatically, so that no additional Proof of processing quality on external test facilities is required. Furthermore should the machining process can be regulated on the basis of a process model. About the Process model are the default values for the control system, taking into account that for the processing crucial parameters such. B. material, material hardness, Shape deviation, pressure and removal, determined.
Eine Feinbearbeitungsvorrichtung nach dem Prinzip des beschriebenen Verfahrens besteht aus einer Einspannvorrichtung zur Lagerung des Werkstückes, einem oder mehreren Meßköpfen, einem oder mehreren Bearbeitungsköpfen, einer Einrichtung zur Führung der Bearbeitungs-, bzw. Meßköpfe, einer Datenverarbeitungseinheit und einer Regelungseinheit. Der Meß- und der Bearbeitungskopf können zu einer Baueinheit zusammengefaßt sein. A finishing device based on the principle of the described method consists of a clamping device for storing the workpiece, one or more measuring heads, one or more processing heads, a device for guiding the processing, or measuring heads, a data processing unit and a control unit. The measuring and the processing head can be combined into a structural unit.
Der Bearbeitungskopf und der Meßkopf werden entlang einer vorgegebenen Führungsbahn, relativ zum in der Einspannvorrichtung fixierten Werkstückes, geführt. Dabei besitzen die auf dem Meß/ Bearbeitungskopf angebrachten Kontaktelemente Verbindung zur Oberfläche des Werkstückes. Durch den geschlossenen Kraftfluß vom Kontaktelement über das Werkstück zurück zum Kontaktelement wird eine von Maschinenungenauigkeiten unabhängige Messung und Bearbeitung des Werkstückes gewährleistet. Der Meßkopf ermittelt während der Bewegung die Maß-/Formabweichung. Diese Meßwerte werden an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt. In der Datenverarbeitungseinheit werden aus diesen Werten segmentweise oder kontinuierlich die Form- und Lageabweichungen der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes ermittelt. Diese Ist-Werte werden mit den eingespeicherten Soll-Werten des Werkstücksegmentes verglichen. Befinden sich die Kontaktelemente des Bearbeitungskopfes an dem entsprechendem Werkstücksegment, der zu bearbeitenden Oberfläche, wird ein Signal von der Regeleinheit an den Bearbeitungskopf gesendet. In dem Bearbeitungskopf befinden sich Stellglieder. Diese werden über die Auswirkungen des Signals in ihrer Ausdehnung beeinflußt. Die Anpresskraft wird dabei ermittelt. Innerhalb der Regeleinheit besteht eine genau definierte Beziehung zwischen der, durch die Ausdehnung des Ausdehnelemente erzeugten, Anpreßkraft und der Abweichung der Werkstückform von der Soll-Geometrie. Ist in einzelnen Sektoren Materialabtrag erforderlich, wird ein Signal erzeugt, welches eine Wegzustellung bewirkt. Die Wegzustellung kann dabei durch eine Bewegung des Werkzeugträgers oder durch eine Bewegung des Werkstückes oder durch eine Kombination dieser Bewegungen erfolgen. Durch die Zustellung erhöht sich die Anpreßkraft oder die Position des auf dem Bearbeitungskopf angebrachten Kontaktelementes, das eine punkt-, eine linienförmige oder eine flächenhafte Kontaktstelle zu dem zu bearbeitendem Werkstück aufweist. Der Materialabtrag wird in diesem Falle erhöht. Ist in einem anderem Segment der Werkstückoberfläche der Soll-Wert bereits erreicht, wird die Anpreßkraft bzw. der Zustellweg entsprechend den Vorgaben reduziert.The machining head and the measuring head are along a predetermined guideway, relative to the workpiece fixed in the clamping device. They have on the measuring / processing head attached contact elements connection to the surface of the Workpiece. Due to the closed flow of force from the contact element via the workpiece back to the contact element is a measurement independent of machine inaccuracies and machining of the workpiece guaranteed. The measuring head determines during the Movement the dimensional / shape deviation. These measured values are sent to the Data processing unit transmitted. In the data processing unit, these become Values in segment or continuous form and position deviations of the surface of the workpiece to be machined. These actual values are saved with the Target values of the workpiece segment compared. Are the contact elements of the Machining head on the corresponding workpiece segment, the one to be machined Surface, a signal is sent from the control unit to the processing head. By doing Machining head are actuators. These are about the effects of Signal affected in its extent. The contact pressure is determined. Within the Control unit, there is a well-defined relationship between that, by extension of the expansion elements, contact pressure and the deviation of the workpiece shape from the target geometry. A signal is issued if material removal is required in individual sectors generated, which causes a path delivery. The path can be delivered by a Movement of the tool carrier or by movement of the workpiece or by a These movements are combined. The contact force increases due to the infeed or the position of the contact element attached to the processing head, the one point, a linear or a flat contact point to the one to be processed Workpiece. In this case, the material removal is increased. Is in another Segment of the workpiece surface has already reached the target value, the contact pressure or the delivery route is reduced according to the specifications.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel liefert die folgende Beschreibung, einer in den Zeichnungen schematisch dargestellten formgeregelten Feinstbearbeitungseinrichtung.The following description, one in FIGS Drawings schematically shown form-controlled fine machining device.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer teilweise schematisierten Darstellung einer auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierenden Feinstbearbeitungsvorrichtung mit der zugehörigen Regeleinrichtung. Fig. 1 is a perspective view of a partially schematic representation of a fine machining device based on the inventive method with the associated control device.
Fig. 2 ein Prozeßmodell, das als theoretische Basis zur Ermittlung der Vorgabewerte für den erfindungsgemäßen Regelungs- und Bearbeitungsprozeß, verwendet werden kann. Fig. 2 shows a process model that can be used as a theoretical basis for determining the default values for the control and processing process according to the invention.
Der Werkzeugträger (1) der Feinstbearbeitungsvorrichtung ist mittels einer Halterung (2) mit dem Grundgestell der Feinstbearbeitungsmaschine verbunden. The tool carrier ( 1 ) of the microfinishing device is connected to the base frame of the microfinishing machine by means of a holder ( 2 ).
Der Werkzeugträger (1) weist Vorrichtungen auf, an dem zum einem ein Schleifkörper (3) zum anderem ein abstützendes Gegenlager (4) angebracht sind.The tool carrier ( 1 ) has devices on which, on the one hand, a grinding body ( 3 ) and, on the other hand, a supporting counter bearing ( 4 ) are attached.
Der Werkzeugträger (1) ist weiterhin mit einer einer Meßeinrichtung versehen. Diese besteht aus einem Feintaster (5) oder einem anderen Feinmeßsystem und Abstützelementen (6). Gemäß dieser symmetrischen oder asymmetrischen Anordnung erhalten Werkstücke, beispielsweise Kurbelwellen, auf ihrer zylindrischen Mantelfläche ihre endgültigen Maße nach Form und Lage.The tool carrier ( 1 ) is also provided with a measuring device. This consists of a fine probe ( 5 ) or another fine measuring system and support elements ( 6 ). According to this symmetrical or asymmetrical arrangement, workpieces, for example crankshafts, receive their final dimensions according to shape and position on their cylindrical outer surface.
In der dargestellten Ausführung der Feinstbearbeitungsmaschine erfolgt eine konstante Rotation, der in einem Spannfutter (7) eingespannten Welle (8) um ihre Längsachse. Während dieser Zeit ermittelt der Feintaster (5) Differenzen in der Werkstückgeometrie. Dabei stellt die Anordnung der Abstützelemente (6) sicher, daß Ungenauigkeiten, die durch maschinenseitige Einflüsse, wie etwa Lagertoleranzen oder Ungenauigkeiten der Fixierung des Spannfutters (7) in ihrer Bedeutung ausgeschaltet oder zumindest erheblich reduziert werden. Die vom Feintaster (5) registrierten Werte werden an eine Regeleinrichtung (9) übermittelt. In dieser wird ermittelt, welche Differenzen zwischen Ist- und Sollwert des aktuell gemessenen Segments bestehen. Erreicht das gemessene Segment in der Rotationsbewegung die Kontaktfläche zu dem Bearbeitungselement, in diesem Falle den Schleifkörper (3), wird der Anpreßdruck des Schleifkörpers (3) auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche entsprechend der Abweichung variiert.In the illustrated embodiment of the microfinishing machine, there is a constant rotation of the shaft ( 8 ) clamped in a chuck ( 7 ) about its longitudinal axis. During this time, the fine probe ( 5 ) determines differences in the workpiece geometry. The arrangement of the support elements ( 6 ) ensures that inaccuracies caused by machine-side influences, such as bearing tolerances or inaccuracies in the fixation of the chuck ( 7 ), are eliminated or at least considerably reduced. The values registered by the fine sensor ( 5 ) are transmitted to a control device ( 9 ). This is used to determine the differences between the actual value and the target value of the currently measured segment. If the measured segment in the rotational movement reaches the contact surface with the machining element, in this case the grinding body ( 3 ), the contact pressure of the grinding body ( 3 ) on the workpiece surface to be machined is varied in accordance with the deviation.
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